基于ZigBee 无线传感网的起重机械设备安全监控系统∗

张孝元，傅建平，马艳娥

(晋中信息学院智能工程学院，山西 晋中 030800)

起重机凭借作业范围大、工作效率高等优势广泛应用在码头、港口等地的生产制造过程中。但是因使用过程中一些违规操作或者关键部件老化等原因，设备损坏和人员伤亡事件频频发生，造成的经济损失较大，起重机械设备的安全情况成为管理人员关注的重点，吸引了众多学者纷纷投入此项研究中。

文献[1]基于物联网技术设计一种安全监控系统。根据起重机结构特征设计安全监控系统整体架构，确定传感器布置方案；针对结构安全和作业安全两个方面，以国家强制标准为依据，确立监测指标、预警等级等。文献[2]通过改进模糊层次分析算法评估起重机是否存在安全隐患。建立起重机性能安全评价指标体系，使用层次分析法设置指标权重，通过信心指数评价各级指标，同时利用正态分布隶属函数构建评价矩阵，实现起重机的安全测评。文献[3]提出基于多层感知器神经网络的干涉仪结构振动模式安全监控算法。该方法由两部分组成:预处理算法和多层感知器神经网络。应用预处理算法从捕获的源信号中检索和提取振动信号，并使用MLP-NN 实现对每种输入类型的安全监控。

但物联网监控系统的通信性能不够稳定，当传感器较多时，难以做到全方面监测；安全评价方法效率低，且不能实时评价；而多层感知器神经网络的设备安全监控耗时较长。针对三种方法的不足，利用ZigBee 无线传感网络设计一种起重机械设备安全监控系统。ZigBee 无线传感网络具有如下特征:规模大，由于节点通信半径较短，为精准采集信息，通常会在监控范围内布置密集的节点，通过不同角度的监测，提高信息信噪比，增强网络鲁棒性，减少监控盲区[4－5]；自组织性强，因能量消耗过大或环境等因素导致一些传感节点失效，此时会有一部分节点自动添加到网络中，网络拓扑结构也会产生一定变化。基于上述优势，将该技术引入到监控系统中，确定网址分配机制与路由协议，改善系统通信状况。保证系统在网络状况良好情况下实时监控起重机械设备安全。

1 基于ZigBee 的起重机械设备安全监控系统设计

1.1 监控系统整体结构确立

在生产现代化背景下，工作人员不但需要现场操控起重机，还要实时远程监控设备运行情况，实现设备信息的集中化管控。因此，监控系统的整体结构为三级分布式，包括现场级、用户级和公司级监控三部分，以此满足各类用户的需求。系统整体结构如图1 所示。

图1 安全监控系统整体结构示意图

现场监控主要作用是采集起重机的相关运行信息，并将这些信息发送至上位机。利用GPS 技术实时获取起重机位置信息，通过ZigBee 网络将所有信息汇聚到中心节点，现场管理人员使用手持设备监控现场设备运行状态。局域监控为管理人员提供远程监控信息，无须管理员亲临现场也能实现起重机的远程监控与运行干涉。局域监控站主要负责设备信息的处理与保存，通过路由访问处理中心，获取起重机的预警信息、运行状态和连续时长等数据，便于设备现场实时监控。远程监控监控员通过总站设备监测所有起重机的运行和故障信息，结合相关数据为各使用者提出指导意见，有助于使用者及时发现问题，提升生产效率。

1.2 监控系统硬件模块设计

1.2.1 ZigBee 节点模块硬件结构

ZigBee 节点硬件都是单独设计的，便于后期更换和扩展。综合分析系统硬件需求，将CC2530 当作ZigBee 网络的硬件核心。该芯片具有功耗低、功能全面等优势，共包括五个部分，节点硬件整体结构如图2 所示。

图2 ZigBee 节点硬件整体架构图

①电源模块:为了给ZigBee 网络营造安全的使用环境，采用USB 和锂电池共同供电的方式保证网络稳定，并添加HT7533 稳压器确保电压平稳。电源模块结构如图3 所示。

图3 电源模块架构图

②串口单元:为ZigBee 节点与外部数据提供交换空间，可与其他设备通信，便于电脑调试数据。

③调试单元:ZigBee 由协调器与终端节点构成，在程序开发过程中需为不同类型节点编写相应程序，以便后期调试。本系统选用具有10 引脚的调试下载接口。

④按键与显示单元:ZigBee 节点由5 个按键和5 个LED 显示构成[6]。其中，按键分为1 个复位按键与4 个普通按键。

1.2.2 数据采集模块硬件构成

安全监控系统中，起重机实时运行数据的处理与显示尤为重要，因此必须保证采集端硬件功能的强大。本系统采集模块的硬件结构如图4 所示。

图4 系统采集模块硬件结构图

图4 中，四路模拟信号的处理芯片均使用MC9S12DG128 型号。由传感器模块发出模拟信号，通过放大与滤波电路，将信息传输至AD 口[7]。

1.2.3 监控器硬件组成

①监控单元

监控器通常分为监控与显示两个单元。其中监控单元涉及的硬件设备如图5 所示。

图5 监控单元结构示意图

作为硬件系统的核心部分，监控单元会根据采集到的设备运行参数，实时监测起重机安全情况。主要监控的内容包括如下几方面:

电源监控:起重机的电机如果出现缺相情况则会导致电机过热，造成反转现象。所以应实时监控三相电源，若出现缺相情况，断开继电器的同时给出预警信息[8]。

过载监控:通过重力传感器与放大器运算负载量，当监控到起重机连续超出额定负载，监控器会发出警报，直到负载低于设定阈值。

故障监控:在起重机接收到动作请求时，监控器会检查设备动作的安全性，若没有故障信号，输出请求才会被激活[9]。

②显示单元

显示单元包括摄像机、视频卡与显示器等硬件设备。利用视频线缆将摄像机和视频卡连接，将视频流信号变换为数字信号，通过压缩保存到硬盘内，便于相关部门查看。视频部分组成结构如图6所示。

图6 显示单元组成结构图

显示单元中，摄像头与视频卡的具体参数分别如表1 和表2 所示。

表1 摄像头参数表

表2 视频卡参数表

1.3 监控系统软件模块设计

1.3.1 ZigBee 通信方式设置

ZigBee 无线传感器网络的通信部分是整个系统软件的核心，主要包括网址分配和路由协议两个方面。只有保证通信方式的合理性，才能对起重机的安全状况进行全面的监控。

①网址分配

ZigBee 无线传感网络的网址分配，包括分布式和随机式两种，本系统使用分布式分配机制，具体设置情况如下。

假设网络最大深度是Lm，父节点的最大子节点数量是Cm，子节点路由器的数量为Rm。结合上述数值，能够获取子节点间的偏移地址Cskip(d):

式中，d代表通信距离。

因此，地址是Aparent的父节点，其第m个路由地址表示为:

终端地址表达式如下:

式中，An代表Aparent分配第n个终端节点产生的地址。

②路由协议

和传统通信网络相比，ZigBee 无线传感网络在起重机械设备安全监控系统中，除了要处理本节点的信息外，也要处理网络中其他节点信息，以实现对起重机械设备的全面安全监控。为减少节点能耗，对一些节点功能做简化处理，使用Cluster-Tree 算法确定ZigBee 无线传感网络的通信路径[10]。

在Cluster-Tree 算法执行过程中，节点无须储存路由表，可根据数据分组情况自动计算出下一跳转发地址。针对通信距离为d，网址为A的节点，则存在地址为D的节点作为其后代节点[11]。

在确定后代节点后，可将信息分组发送到子节点，若满足:

说明目的节点即为终端子节点，下一跳地址N′表示如下:

反之有:

由此可以看出，Cluster-Tree 算法无须维护路由表，减少开销，降低节点能耗[12]。通过Cluster-Tree 算法提升ZigBee 无线传感网络的路由开销，提升其节点信息处理效率，提升ZigBee 无线传感网络的数据传输性能，从而保证起重机械设备安全监控的准确性。

1.3.2 起重机械设备安全监控单元软件流程设计

根据监控模块硬件结构特征，设置软件工作流程，确保系统监控工作顺利进行。监控系统主要流程如图7 所示。

图7 监控流程示意图

综上所述，通过设计ZigBee 节点模块及数据采集模块实现对监控系统硬件的设计，利用ZigBee 无线传感网络实现网址分配及路由协议的确定，降低节点能耗，并设计监控单元软件流程，通过缺相检测、过载检测及控制请求输出最终故障结果，实现基于ZigBee 无线传感网的起重机械设备安全监控系统设计。

2 系统测试结果与讨论

为证明基于ZigBee 无线传感网络监控系统的性能，有必要进行系统测试。将门式起重机作为监控对象，其是桥式起重机的变形产物，作业范围更大，通用性较强，主要应用在港口、铁路等室外作业的物料装卸任务中。门式起重机设备安全监控系统实测图如图8 所示。

图8 门式起重机设备安全监控系统测试

①系统数据采集模块测试

传感器性能影响着数据采集效果，也决定了系统监控性能。由于传感器类型较多，实验针对重力和风力传感器进行测试，以输入电压值为模拟信号，经过处理后获取输出值。将输出结果和文献[1]方法、文献[2]方法及文献[3]方法比较，测试结果分别如图9、图10 所示。

图9 重力传感器输入数据采集测试结果

图10 风力传感器输入数据采集测试结果

分析上图可以得出:本文监控系统中传感器的采集性能表现良好，两种传感器的输出值与输入值间的误差较小，平均值在0.02 V 以内；而其他三种方法则表现得不稳定，有时会出现误差较大的情况。这是因为ZigBee 网络性能稳定，能够为信息采集提供很好的网络条件，避免出现节点失效等现象，提高采集精度。

②系统网络覆盖范围测试

网络覆盖范围直接影响监控效果，起重机械设备监控系统通常用在作业规模较大的环境中，障碍物遮挡较少，因此选取空旷地带测试通信覆盖情况，将丢包率作为评价指标，不同方法的测试结果如图11所示。

图11 不同监控方式的网络覆盖范围测试结果

图11 显示，当通信距离不超出30 m 时，四种方法的丢包率均为0。但随着通信距离的增加，本文方法的丢包率上升幅度较小，最大值为1.81%，而其他监控方式的丢包率出现明显变化，表明通信信号出现严重衰减。ZigBee 传感网络之所以保持较低的丢包率是因为设置了合理的网址分配机制和路由算法，提高数据传输的成功率，为安全监控提供更加丰富的数据基础。

③系统并发用户数量测试

该指标体现出系统能够同时满足用户访问需求的能力。若多个用户同时使用系统，且系统CPU 利用情况较低，表明系统的并发性较强，具备对强负载的处理能力。

图12 不同监控系统的用户并发数量测试

通常情况下CPU 利用率高于90%时，系统崩溃的风险较大。因此可以看出文献[1]方法当用户并发数量达到150 时，CPU 利用率已经超出90%，而模糊层次方法的用户量达到200 时，CPU 利用率已经无法满足系统正常运行需求，而本文方法可同时满足更多用户使用需求，用户量达到200 时其信息丢包率为75.4%。说明三级式的系统分布策略可提高资源利用效率，为系统运行提供更多空间。

3 结论

近年来，起重机械设备安全问题引起社会广泛关注。为减少设备损坏带来的经济损失和人员伤亡情况，本文利用ZigBee 无线传感网络设计一种安全监控系统。仿真结果证明了该系统能够满足起重机安全监控需求，通信稳定，可实现实时全面的监控。但是系统依然存在一些不足之处，例如传输协议设置较为简单，为增强通信的安全性，在后续设计中可引入密钥算法；在系统测试阶段，利用模块化思想完成测试，应考虑模块的集成化，确保每个部分都能稳定运行。此外，可引入大数据技术深入分析起重机安全情况，有效评估机械设备的使用寿命。